自由研究で中学生向け氷の実験や考察まとめ【2019夏休み編】

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楽しい夏休みの反面、たっぷり出される課題!
その中でも自由研究の実験は、テーマを考えたり実験やデーターのまとめと何かと面倒ですね。
そんな中学生のみなさん!
今年は、身近な「氷」を使った自由研究をしてみませんか?
家にあるもので簡単にできるのでサッサと課題を片付けてしまいましょう!

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1、氷になる温度の違い!

<考察ポイント>

水が氷になるのは、零度の時ですね。
ところで、水以外のものも同じ温度で氷はじめるのでしょうか?
ここでは、液体に不純物が含まれるか否かによる凝固点の違いを研究します。
(凝固点とは液体が個体になる時の温度のことです。)

<まとめ>

食塩の濃度が濃いほど凝固点が低くなりますし、氷になるまでに時間がかかります。
この実験をより理解すやするために同じ濃度の砂糖水と食塩水を同じ状況で凍らせてみましょう。
例えば、水に100gに食塩、砂糖水10gを溶かした際には、

砂糖水→−0.5
食塩水→−5.7

で凍りはじめます。
ゼロ度以下で凍ることを凝固点降下と呼ぶ部分もぜひ頭に入れておきましょう。

なぜ、このようなことが起こるのかを簡単に解説します。
氷になる状態は、水と水が結びつくことです。
しかし、水分の中に不純物が含まれていると水分同士が結合しづらくなります
さらに、水の中に含まれている物質によっても異なるのです。

食塩水と砂糖水で考えてみると…。
水に溶けやすいのは、食塩です。

そのために、水同士が結合するのを食塩の細かい粒子が防御してしまいます。
食品でみると「醤油」は、塩分濃度が高いので食塩水よりも凍りづらいです。

食塩水、砂糖水、お酢など同じ環境で凍らせるので時間は掛かります。
ですが、それだけにやりがいもありますし豆知識にも増えて面白いですよ!

2、氷の重さや体積の変化について学ぼう

手軽にできるなら1日〜2日で済ませたい、理科の実験なんて面倒という学生さんにおススメです。
なぜなら、用意するものは「透明のコップ」と「水」だけですので…。

<考察ポイント>

2つのコップに300mlの水を入れて一方だけ凍らせます。
完全に凍ったものとコップのものを比較してみましょう。
どのくらい体積が増えたのか、さらに重さの違いを勉強できます。

<まとめ>

同じ要領の水を凍らせたものの方が、体積が増加します。
これは、水が氷になる時には約2,000気圧も圧力が加わるためです。
よく缶の飲み物を凍らせて破裂しますよね。
しかし、密度が低いので水よりも氷の方が重さが軽くなります。
つまり、氷は水に比べて「すきまが多い構造」なので表面積は増えますが、それは見た目だけにすぎず実際には軽いということです。

でも、そうでなければ冬場池に氷が張るんてこともありえませんよね。
氷が水よりも重かったら全部沈んでしまうのですから!

3、電子レンジで氷を溶かすとどうなるのの?

今は私達の生活に欠かせない電子レンジを利用して氷の実験をしましょう。

<考察ポイント>

レンジで氷を1分ほど加熱しても溶けません。
解凍機能も備えている調理器具だけに不思議ですね。

<まとめ>

レンジで氷が溶けない理由は、2つあります。

1点目は、氷自体によるものが原因なのです。
水が氷になるよりも氷が水に変化する方が、断然エネルギーを必要とします。

1分くらいでは溶けないということです。
さらに、同じ2つの氷であって正確な温度は異なりますよね。
例えば、−10度のものあれば−5度ほどのものと…。

そうなると氷の持つ個体温度によっても氷解する時間が違うはずです。
実験では、必ず同じ温度の氷を使い正確に行うことも大切になります。

2点目は、レンジの機能によるためです。
レンジは、水分を振動させることで加熱料理します。
しかし、氷は個体のために水分ってありませんよね。
つまり、レンジの周波数は液体の水の周波数と合わせているために「氷が溶けない」という減少につながるのです。

4、氷はどんな液体に浮くのか?

「夏休みももう終わりなのに自由研究が終わってない、どうしよう〜!」というお子さんにおススメです。
身近な材料で簡単に行える上にその理由をまとめるだけですから!

<考察ポイント>

氷が、水に浮くことは前述した通りに重さが軽いからです。
しかし、水に油・お酢・アルコール・牛乳を加えてみるとどうでしょう?
この実験では、水と液体との比重さらに氷との重さについて研究できます。

<まとめ>

まず、基本となる水に氷を浮かべてからそれぞれの材料を実験してみましょう。

a,水のみ→浮く
b,水+油→浮かない
c,水+お酢→浮く
d,水+アルコール→沈む

ということが、結果です。

さて、どうしてただ氷をそれぞれの液体に浮かべるだけなのにこのような差が生じるのでしょうか?
液体と氷の比重の関係になります。
つまり、どちらの方が重いかということです。

また、液体部分も分離します。
例えば、油と水でしたら水が下になり油が上と二層になり混じりあうことはありません。
これは、油よりも水の方が重いというこです。
さらに、氷も水には浮きませんが水と油の中間地点で浮遊します。
ということは、氷は油よりも重く水よりも軽いというこですね。

まとめ

暑い夏には欠かせない氷だけに、自由研究のテーマにするととても面白そうです。
さらに、家庭の冷凍庫で作られたものとスーパーで販売されている氷でも純度に違いがあるので実験データーに差が出る可能性もあります。

研究ですから突き詰めれば、中学生であっても無限の可能性があるでしょう。
小学生の時の自由研究を一歩踏みだしてより発展させて思慮深く判断、理解していく習慣を付ける良い機会にもなりますよ。

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